Attività cellulare altamente coordinata svolta da sistemi multienzimatici, con i seguenti scopi: ottenere energia chimica dall ambiente attraverso la

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1 Metabolismo Attività cellulare altamente coordinata svolta da sistemi multienzimatici, con i seguenti scopi: ottenere energia chimica dall ambiente attraverso la degradazione di nutrienti operare la sintesi di macromolecole necessarie al mantenimento delle attività cellulari sintetizzare molecole deputate a svolgere funzioni specializzate (ormoni, neurotrasmettitori).

2 ossidazione biosintesi nutrienti ADP omeostasi crescita catabolismo ATP NAD(P) + anabolismo H 2 C 2 NH 3 NAD(P)H substrati biosintetici

3 IL BISGN DI ENERGIA Sintesi Contrazione ATP muscolare Trasporto Attività nervosa

4 calore lavoro C 2 2 C 2 2 carburante carburante

5 energia libera (G) energia libera (G) L energia libera G è la quota di energia scambiata in una reazione che può essere utilizzata per compiere lavoro. DG = DH TDS DG = variazione di energia libera DH = variazione di entalpia (calore) DS = variazione di entropia reagenti prodotti DG < 0 DG > 0 prodotti reagenti reazione spontanea esoergonica reazione non spontanea endoergonica

6 La struttura della adenosina 5 -trifosfato (ATP): la chiave per comprendere la funzione legami anidridici P P legame estereo P N 5 H 2 C N H 2 N H H H H H H adenosina adenosina 5 -fosfato adenosina 5 -difosfato N 9 N 1 adenina legame b-n-glicosidico b-d-ribosio AMP ADP L ATP è un nucleoside trifosfato che partecipa ai processi di trasferimento dell energia nelle reazioni biochimiche. I legami anidridici sono legami ad elevata energia libera di idrolisi adenosina 5 -trifosfato ATP

7 Reazioni accoppiate DG > 0 DG < 0 L energia prodotta in una reazione esoergonica è utilizzata per far avvenire una reazione endoergonica

8 energia libera ADP + Pi ATP + H 2 (DG = +7.3 kcal/mole) A D ADP B ATP C ATP + H 2 ADP + Pi (DG = -7.3 kcal/mole)

9 Tab DG di idrolisi di diversi composti Composto Fosfoenolpiruvato 1,3-difosfoglicerato Creatina fosfato ATP (ad ADP) Glucosio-6-fosfato Glicerolo-3-fosfato DG (kcal/mole)

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11 proteine polisaccaridi lipidi amminoacidi glucosio acidi grassi e piruvato glicerolo 1 NH 3 urea NADH+H + FADH 2 e - H 3 C C ~ ciclo di Krebs S Co A C 2 (acetil CoA) CoASH 2 3 NAD + FAD catena respiratoria ADP+Pi ATP fosforilazione ossidativa ossigeno H 2

12 Reazione complessiva della catena respiratoria NADH+H + + ½ 2 NAD + + H 2 DG = -52,6 kcal/mole

13 I complessi della catena respiratoria complesso II E-FADH 2 E-FAD complesso I NADH deidrogenasi FMN Q complesso III complesso IV cit b, cit c 1 cit c cit a, cit a 3 2 NADH+H + NAD +

14 H 3 C H 3 C C C C C C C CH 3 CH 3 (CH 2 CH C CH 2 ) 10 H forma ossidata del coenzima Q (ubichinone) 2e - 2H + H H 3 C C C C CH 3 C C C (CH 2 CH CH 3 CH 2 ) 10 C H H forma ridotta del coenzima Q (ubichinolo)

15 Gli elettroni sono trasportati dai citocromi. gni citocromo trasporta un elettrone: Fe 3+ + e - Fe 2+ Fe 3+ + e - Poiché la riduzione di una molecola di 2 richiede 4 elettroni 2 + 4H + + 4e - 2H 2 4 citocromi debbono funzionare in contemporanea per una riduzione efficiente.

16 NAD + matrice mitocondriale 2 NADH+H + 2H 2 ADP + Pi ATP sintasi ATP e - e - e - e - I III IV H + H + H + spazio intermembrana

17 NADH H + NAD + 2e - Fp energia ATP FAD FADH 2 2e - coenzima Q Cit.b/c 1 energia ATP Cit.c Il sistema consente la sintesi di circa 1.5 molecole di ATP per FADH 2 riossidato Cit.a/a 3 2 energia H 2 ATP Il sistema consente la sintesi di circa 2.5 molecole di ATP per NADH+H + riossidato

18 Ciclo dell acido citrico (ciclo di Krebs) Complesso di reazioni che avvengono nel mitocondrio attraverso cui l acetil-coa è ossidato a C 2 con trasferimento di equivalenti riducenti ai coenzimi. Dalla riossidazione dei coenzimi a livello della catena respiratoria mitocondriale si libera energia che viene immagazzinata sotto forma di ATP.

19 L acetil-coa deriva direttamente dal catabolismo degli acidi grassi e di alcuni amminoacidi. Un altra fonte importante è il piruvato, prodotto finale della glicolisi e del catabolismo di una parte degli amminoacidi. C - piruvato deidrogenasi C + CoASH C ~ S Co A + C 2 CH 3 NAD + NADH+H + CH 3 piruvato acetil-coa DG = -8 kcal/mole

20 fumarasi succinato deidrogenasi malato C - deidrogenasi C C - CH 2 H C H C - CH 2 ossalacetato C - malato H 2 C - H C C H C - fumarato FADH 2 H 3 C C ~ S Co A H 2 3 NADH+H + CoASH citrato sintasi H C - CH 2 C C - CH 2 C - citrato aconitasi C - CH 2 H C C - H C H C - isocitrato C - CH 2 CH 2 C 2 C - C - succinato succinato a-chetoglutarato tiochinasi C - deidrogenasi CH 2 CH 2 CH 2 CoASH CH 2 C GTP ~ C - C S Co A CoASH a-chetoglutarato GDP+Pi succinil-coa C 2 isocitrato deidrogenasi

21 NADH H + carboidrati proteine lipidi ssalacetato Acetil-CoA (C2) Malato Citrato FADH 2 Fumarato Succinato a-chetoglutarato Succinil-SCoA Isocitrato C 2, NADH H + GTP GDP + Pi catena respiratoria C 2, NADH H +

22 Bilancio energetico del ciclo di Krebs Dalla ossidazione completa dell acetil-coa si ottengono 3 molecole di NAD ridotto ed 1 molecola di FAD ridotto. La riossidazione di questi coenzimi attraverso la catena respiratoria produce molecole di ATP dalla rissidazione di 3 molecole di NAD molecole di ATP dalla riossidazione del FAD. Includendo la molecola di GTP ottenuta nel ciclo di Krebs la resa è di 10 molecole di ATP

23 Tab Bilancio energetico del ciclo di Krebs Processi a cui è accoppiata la sintesi di ATP ATP prodotto 3 NADH+H + 3 NAD + FADH 2 FAD GDP + Pi GTP ATP/acetil CoA ossidato